锅炉水位实验系统(精选八篇)
锅炉水位实验系统 篇1
工业锅炉是采暖供热系统的核心设备,其主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能,生产出满足需要的蒸汽或热水。为保证锅炉的正常运行,需要维持锅炉水位为正常标准值,锅炉水位过低,易烧干锅而发生严重的事故,锅炉水位过高,则易使锅炉内压力过大发生爆炸。锅炉系统的水位是否稳定,直接影响到工业生产的安全,生产效率的高低,能源是否能得到合理运用等一系列问题,因此必须通过锅炉水位实验系统严格控制锅炉水位的高低,以保证锅炉正常安全的运行[1]。
锅炉水位实验系统是模拟工业锅炉运行与控制过程的装置, 是学生认识工业过程控制和计算机控制的重要教学设备。
1锅炉水位实验系统的现状及其不足
实验室现有一套锅炉水位实验系统,锅炉水位实验系统的实物装置如图1所示。锅炉水位实验系统由控制实验箱、水位传感器、水量调节阀等装置构成。给水流量、排水流量的调节机构分别为给水调节阀、排水调节阀,可以通过控制阀门开度来控制水流量的大小。
现有的锅炉水位实验系统使用生产厂商配套的控制实验箱作为控制器来完成锅炉水位控制实验。在实验过程中,该锅炉水位实验系统仅需设置少数几个参数即可完成实验,不能真正培养学生的实验动手能力; 特别是该实验系统不能改变控制算法,不能充分发挥学生在实验过程中的主动性和创造性[2,3]。
2基于PCI总线的锅炉水位实验系统的设计
2.1总体控制方案
为弥补现有锅炉水位实验系统的不足,作者提出针对现有锅炉水位实验系统的改进控制方案。锅炉水位实验系统控制方案的总体思路是: 先将原锅炉水位实验系统的水位传感器信号提取出来,通过PCI接口的数据采集卡引入到计算机中; 然后,在计算机中使用不同控制算法对锅炉水位进行控制; 最后,利用组态软件将控制过程可视化,能够在计算机上生动直观地显示锅炉水位的控制过程。
图2为设计完成上述控制方案的锅炉水位实验系统组成框图。锅炉水位实验系统主要由计算机( 在计算机中运行数据采集软件和控制组态软件) 、 PCI总线数据卡( 包含PCI总线端子板) 、水位检测电路( 水位传感器、I/V变换、采集隔离) 、 水位调节电路( 驱动隔离、V/I变换、给水电磁 阀 ) 等部分组成[4,5]。
2.2PCI总线数据卡
PCI是外部设备互相联接 ( Peripheral Component Interconnect) 的简称,它是连接电子计算机主板和外部设备的总线标准。
PCI总线数据卡是具有PCI总线的数据采集控制卡,可以直接安装在计算机的主板上。PCI总线数据卡负责完成数据采集任务,并将数据采集结果传递给计算机,以便计算机作进一步处理。
本设计的PCI总线数据卡拟选用研华公司生产的PCI 1716。PCI - 1716是一款功能强大的高分辨率多功能PCI数据采集卡,带有采样速率最高达250 k/s的16位A/D转换器。PCI 1716可以提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入,也可以组合输入。PCI - 1716还带有二个16位D/A输出通道,16位数字量输入/输出通道和一个10 HMs16位计数器通道。
PCI - 1716附有32位DLL驱动程序,通过这个驱动程序,编程人员可以使用高级语言编程环境对PCI - 1716的硬件进行编程控制,易于实现计算机控制。
2.3锅炉水位检测电路
锅炉水位检测电路如图3所示。水位传感器将检测的锅炉水位值变换为电流输出信号,再经隔离转换器ISO - A4 - P3 - O4变换为电压信号,即完成I/V转换; 隔离转换器的电压信号经放大器OP07放大后送至PCI总线数据卡PCI - 1716的34端口; PCI - 1716负责对此模拟输入信号进行模数转换,然后送给计算机处理。其中,隔离转换器ISO - A4 - P3 - O4的各位含义是: A4指输入电流信号的范围为4 m A ~ 20 m A; P3指供电电压为5 V; O4指输出电压信号的范围为0 V ~ 5 V。
2.4锅炉水位调节电路
锅炉水位调节电路如图4所示。计算机将处理后的数据送给PCI总线数据卡PCI - 1716的24端口,PCI - 1716负责对此数字输入信号进行数模转换; 放大器OP07接收此模拟输入信号, 并将其放大,其信号形式为电压信号; 隔离转换器ISO - U1 - P3 - O1负责将输入的电压信号变换为电流输出信号,即完成V / I转换; 隔离转换器输出的电流信号可直接作用于电磁阀,通过阀门的开度来调节流量,进行调节锅炉的水位。其中,隔离转换器ISO - U1 - P3 - O1的各位含义是: U1指输入电压信号的范围为0 V ~ 5 V; P3指供电电压为5 V; O1指输出电流信号的范围为4 ~ 20 m A。
3模糊控制
3.1模糊控制概述
模糊控制( Fuzzy Control) 是利用计算机来实现模拟人的思维过程和控制过程,其最大特点是不需要获得被控对象的数学模型。
因建立锅炉水位实验系统中的精确数学模型较为困难,因此也可以利用模糊控制算法不需要被控对象数学模型这一特点,采用模糊控制算法来控制锅炉水位实验系统中的水位参数[6]。
3.2模糊控制器的结构
模糊控制器的输入量可选为锅炉水位实验系统中水位实际值与水位给定值之间的误差e及其变化率c,即
式中y为水位实际值,yd为水位给定值。
模糊控制器的输出量选为给水电磁阀的输入控制量u,该给水电磁阀选用比例型电磁阀,通过调节比例型电磁阀的阀门开度变化来调整水的流量。这样,就为锅炉水位实验系统选定了一个双输入单输出的模糊控制器。
3.3模糊控制规则
根据锅炉水位实验系统的实际情况,设水位实际值与水位给定值之间的水位误差e的取值范围为0 cm ~ 8 cm。将水位误差e分为五个模糊集: E_Less( 误差小) ,E_Very Less( 误差较小) ,E_ Medium( 误差适中 ) ,E _ Very Much ( 误差较大 ) ,E _ Much ( 误差大) 。选用三角形隶属度函数实现水位误差的模糊化。
设水位实际值与水位给定值之间的水位误差变化率c的取值范围为0 cm ~ 3 cm。将水位误差变化率c分为四个模糊集: C_ Less( 误差变化率小) ,C _ Very Less ( 误差变化率较小) ,C _ VeryMuch( 误差变化率较大) ,C_Much( 误差变化率大) 。选用三角形隶属度函数实现误差变化率的模糊化。
在比例型电磁阀衔铁的有效行程范围之内,比例型电磁铁的吸力与电磁铁线圈的电流大小成正比。模糊控制器的输出量选为比例型电磁阀的输入控制量u,其取值范围为0 m A ~ 20 m A,对应的比例型电磁阀的阀门开度范围为0% ~ 100%[7]。将给水电磁阀的输入控制量u分为三个模糊集: U_Less( 控制量小) ,U Medium( 控制量适中) ,U_Much( 控制量大) 。选用三角形隶属度函数实现给水电磁阀输入控制量的模糊化。
该模糊控制器的模糊控制规则如表1表示。表中,第一行为水位误差的模糊语言变量值; 第一列为水位误差变化率的模糊语言变量值; 各行和各列的交叉值表示给水电磁阀输入控制量的模糊语言变量值。
4锅炉水位实验系统的模糊控制及其组态仿真
在对锅炉水位实验系统进行控制的过程中,为实现编辑画面、设置参数、打印曲线、生成报表等交互控制功能,本文设计了锅炉水位实验系统的画面组态控制系统。
本文使用组态王编程软件对锅炉水位实验系统的控制过程进行组态仿真设计。组态软件可以提高控制系统的开发设计工作效率,有助于设计者快速完成控制画面的编辑工作。
首先建立工程文件,定义各个输入变量和输出变量,并将这些变量分别与传感器和执行装置进行通讯连接。然后建立“主画面”画面,在画面中加入锅炉水位实验系统的各种元素,并与前述定义的变量进行连接,然后保存运行。“主画面”的组态仿真运行效果如图5所示。
之后再建立“水位控制”画面,使用模糊控制方案对锅炉水位进行控制,“水位控制”画面的组 态仿真运 行效果如 图6所示[8,9]。
5结束语
针对现有锅炉水位实验系统存在控制装置交互性差、控制算法单一等缺点和不足,提出了针对现有锅炉水位实验系统的改进控制方案。其主要结论如下:
( 1) 设计了基于PCI总线数据卡构建锅炉水位实验系统的硬件系统方案,该方案在原系统硬件的基础上只需要增加带有PC接口的多功能数据卡即可完成实现,成本较低。
( 2) 完成了锅炉水位实验系统的模糊控制算法设计,也可以使用PID控制算法、直接数字控制算法等其它控制算法对锅炉水位实验系统进行控制,可以灵活选择控制算法。
( 3) 利用组态软件设计了锅炉水位实验系统模糊控制的组态仿真控制画面,绘制控制过程仿真曲线。
总之,改进设计的锅炉水位实验系统具有控制方案易于实现、能够灵活选择控制算法、组态控制画面交互性强、控制过程生动直观、易于理解和操作等特点。
摘要:针对现有锅炉水位实验系统存在的控制装置交互性差、控制算法单一等缺点,提出采用基于PCI总线数据卡构建锅炉水位实验系统的控制方案,并给出PCI总线锅炉水位实验系统的具体设计。在此基础上,详细阐述锅炉水位实验系统的模糊控制方案,给出模糊控制器的设计过程和设计步骤。最后,使用组态软件将锅炉水位控制过程进行可视化,生动直观地展示锅炉水位仿真控制的全过程。
锅炉水位表破裂事故演练 篇2
演练目的:
1.考核司炉人员对突发事故的应急处理能力。
2.考核司炉人员在处理突发事件时对锅炉操作的熟练程度。3.考核锅炉房管理人员在突发事件中的指挥及管理能力。演练主要内容 1.演练时间:
2.演练地点:
3.演练内容:司炉工在正常冲洗水位表时水位表玻璃破裂,导致锅炉工手臂烫伤。另一名司炉工应迅速切断破裂水位表的汽水阀门并立即向班长汇报情况。班长接报告后向上级汇报并请示派车送伤员就医,安排锅炉运行及安排维修工处理故障。演练参与人员及职责:
总指挥:
XXXX负责安排现场指挥及安排救护人员送伤员就医。
现场指挥:XXXX负责现场人员安排,协调车间供汽安排,故障处理安排等。操作司炉工:XXX,负责疏散锅炉辅助工,接应受伤人员到安全地点(锅炉房外),负责关闭水位表汽、水阀门。
故障处理:XXX、XXX,负责维修锅炉水位表。其他人员:XXX、XXX,受伤司炉工及当班辅助工。观摩人员:XXX、XXX 演练步骤:
1.司炉工(XXX)按照正常程序冲洗水位表,左侧水位表玻璃突然破裂造成手臂烫伤。
2.司炉工(XXX)看到后立即安排辅助工疏散到锅炉房门外面,并接应XXX从平台下来。
3.XXX一边安排辅助工打电话报告班长水位表破裂且有人烫伤,一边上水位表平台在保证不被烫伤的位置将水位表汽水阀门关闭。
4.班长接报告后赶往锅炉房同时向部门经理汇报,请示派车送伤员就医。5.班长到锅炉房后先了解情况(人员受伤情况、水位表损坏情况等),然后通知纸箱车间停机1.5小时左右,安排XXX将锅炉降低压力运行以保证水松纸供汽,安排维修工维修水位表。6.部门经理接通知后安排人员及车辆到锅炉房送伤员就医,并交待班长处理现场。
7.维修工更换好水位表玻璃板后XXX上去检查并开启汽水阀门,使水位表投入正常使用。
8.班长安排司炉工将锅炉恢复正常压力,通知纸箱车间恢复供汽。9.锅炉工及维修工做好相关记录。
锅炉汽包水位三冲量控制系统的设计 篇3
关键词:锅炉汽包水位,串级控制系统,三冲量控制
0 引言
锅炉是化工生产中重要的动力设备,汽包水位是锅炉正常运行过程中最重要的监控参数之一,它间接地反映了锅炉负荷和给水的平衡关系。汽包水位过高或急剧波动时,会影响汽水分离装置正常工作,造成出口蒸汽带水,温度下降,造成蒸汽管道结垢,直接影响着后序设备的正常运行;汽包水位过低,可能使锅炉水循环工况破坏,烧坏受热面还可能造成干锅,引起排污失效,造成大面积爆破的危险。因此,汽包水位保持在一定范围内是锅炉安全运行的必要条件,锅炉给水控制系统对于锅炉的安全稳定运行及节能减排起着至关重要的作用。
1 锅炉汽包水位的动态特性分析[1,2]
锅炉在运行过程中,由于负荷、燃烧状况、给水流量等多个干扰因素的影响,汽包水位是经常变化的,其中最主要的干扰因素有:①来自给水管道和给水泵方面的扰动,包括给水压力、调节阀开度等的变化;②来自蒸汽负荷的扰动,包括主蒸汽调节阀开度、蒸汽管道阻力等的变化。分析汽包水位的动态特性,确定给水自动控制系统设计时如何考虑这些扰动因素,是设计给水自动控制系统的主要依据。
1.1 汽包水位在给水流量W扰动下的动态特性
给水流量W的扰动是影响汽包水位的主要因素,它来自控制侧,属于内部扰动。给水流量W扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图1所示。图1中,H1为不考虑水面下汽泡容积变化的响应曲线,是由汽包内部的物料不平衡引起的;H2为给水过冷度(给水温度低于汽包内饱和水温度)所引起的水位变化,给水过冷度越大,H2变化的幅度越大;H为水位受到给水流量W阶跃扰动后的实际响应曲线,可认为是由H1和H2合成的。由H曲线可看出给水扰动的特点是:当给水扰动刚加入时,由于给水过冷度的影响,水位H的变化很慢,经过一段时间之后,汽包内部的物料不平衡起主要作用了,水位逐渐增加,最后变为按一定速度直线上升,如果给水流量和蒸汽流量不能平衡,水位将不能稳定。
1.2 汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性
蒸汽流量D的扰动主要来自汽轮发电机组功率或外界用汽负荷的变化,属于外部扰动,水位变化的阶跃响应曲线如图2所示。当负荷设备的用汽量突然增加时,单从物料不平衡的角度考虑,汽包中的蒸发量大于给水量,汽包水位的变化应如图2中H1所示直线下降。但实际显示出的水位变化如图2中H所示,水位不但不下降,反而迅速上升,这就是我们常说的“虚假水位”。这是由于当锅炉的蒸发量突然增加时,瞬间导致汽包压力下降,沸腾加剧,水面下的汽泡容积增加得很快,汽包水位上升,当汽泡容积与负荷相适应达到稳定后,水位就随物料的不平衡关系的变化而开始下降。水面下汽泡容积的增加而使水位的变化如图2中H2所示,实际的液位变化曲线H相当于是H1和H2合成的。当蒸汽流量突然减小时,水位变化则是先下降再上升。
2 基本控制思路
汽包水位控制的中心任务是控制给水流量,使给水流量与蒸发量保持动态平衡,汽包水位维持在一定范围内。由于汽包水位的调节具有一定的延迟性和惯性,当给水流量、蒸发流量发生阶跃变化时,汽包水位不能立即跟着作线性变化,经过综合考虑,设计了基于DCS系统的锅炉三冲量给水控制系统:控制通道在给水侧,给水流量作为系统的调节变量,给水流量扰动在控制系统的闭合回路里;蒸汽流量只影响水位波动的幅度,且是产生“虚假水位”的根源,引入蒸汽流量作为前馈信号,以改善外部扰动时的控制品质。控制系统的构成如图3所示。
3 CS3000系统组态在锅炉水位控制系统的应用
山西某焦化厂锅炉DCS系统使用的是日本横河生产的CS3000系统,它是一套完整的集散控制系统,具有丰富的功能模块,通过组态可以实现汽包水位的三冲量控制。采用汽包水位为主调节器,给水流量为副调节器,过热蒸汽流量为前馈,输出部分通过转换开关实现单冲量与三冲量的切换。图4为CS3000系统组态三冲量控制模块图。
水位信号对锅炉运行的安全性影响极大,为准确测量,水位测量系统由3台液位计LT0204、LT0205、LT0206组成,3路水位测量信号通过自动选择器AS-M,取3个测量信号中的中间值作为水位测量的结果。现场仪表通过DCS系统的模拟量输入卡(AI卡)进入系统,卡件通道号分别为%Z032115、%Z033113和%Z032116。PVI为显示模件,将现场一次元件的传送信号转换为与它们量程相对应的显示值,主调节器LCV-0201Z进行PID调节,它的输出值为给水流量值,不是阀位值,为0 t/h~100 t/h。
蒸汽流量FT0203作为前馈,流量信号进入系统后,与一同进入系统的蒸汽压力PT0250和温度TE0221进入温压补偿模块TPCFL,实际温度、压力与设计给定的温度、压力值比较,对检测的流量值进行补偿,使之更加接近真实值。过热蒸汽流量值为0 t/h~80 t/h。
主调节器输出的给水流量值与过热蒸汽经过温压补偿后的流量值共同进入FWC-02计算模块,使用运算公式(1)计算输出值。
CPV=P01×RV1+P02×RV 。 (1)
其中:RV1为图4中LCV0201Z.MV,即主调节器的输出给水流量值;RV为蒸汽流量输出值;P01与P02为两个常数,一般情况下,设定P01为0.7~0.8,P02为0.3~0.2,保证P01+P02=1;CPV的输出值为0 t/h~100 t/h。
蒸汽负荷在一般情况下变化量较小,CPV的输出主要是根据水位变化,而当蒸汽负荷突然增加时,RV增加较大,虽然这时出现虚假水位,RV1减小,但RV作为前馈量,直接加在计算模块中,保证CPV的值增加,有效地克服了单回路水位控制中的输出迅速减少的现象。实践也证明,三冲量控制对于出现的虚假水位调节是非常有效的。
FWC-02的输出值CPV通过比例设定单元RATIO,系数为1,它的输出作为副调节器LCV-0201ZF的设定值,锅炉给水流量通过显示模块FT-0203后,作为过程值也进入LCV-0201ZF,作PID调节。
同时,主、副调节器的输出同时进入二进一出的双重信号选择器SS-DUAL模块AS,通过设定输出其中的一路:单冲量调节或三冲量调节。在实际运行当中,画面上有一个选择按钮QB_SCL,用来实现单冲量和三冲量的切换:当QB_SCL.PV=0时,为单冲量调节;当QB_SCL.PV=1时,为三冲量调节。系统投用时,只需将LCV0201Z从手动打到自动,即可完成单回路自动调节的投用。若需要投用三冲量,则按下QB_SCL按钮,自动投用三冲量,实现无扰动切换,不用考虑主回路、副回路的分步投用。
4 结束语
系统投用后,实际运行效果良好,首先通过软件完成复杂控制系统,省去了硬件的接线、仪表与仪表之间的接口问题及信号传送相匹配等问题,大大减少了硬件故障及线路故障;其次调试画面将主、副调节器的动态曲线共同显示在同一坐标上,一目了然,投用过程简单,省去了分步投用,既安全又简洁。
总之,使用CS3000系统将三冲量控制这一复杂的控制系统变得轻松、简洁,可有效地减少故障率。系统运行表明,这种控制策略是可行和有效的,具有一定的工程应用价值。
参考文献
[1]林金栎.自动调节系统及原理[M].北京:中国电力出版社,1996.
锅炉水位实验系统 篇4
在以往的系统中, 由于安装工艺, 测量设备和软件设计的不足, 加上工况欠缺稳定, 同一锅炉中汽包不同测量点的水位测量结果存在较大偏差, 无形中加大了工人的劳动强度。在本设计中, 采用双室平衡容器与差压变送器的两者配套使用来测量液位, 变送器将传感器采集的压力参数转化为4~20m A的电流信号传输至PLC的模拟量输入模块, 再通过上位机相关处理后在显示器上显示实时的水位情况。为实现汽包水位的自动调节, 采用前馈串级控制设计, 使用三冲量的调节机制, 有效控制锅炉给水流量、蒸汽流量和炉膛热负荷等三要素对汽包水位的影响, 防止虚假水位的产生。在本设计中, 采用西门子S7 300的系列的PLC, 将工控机的RS232串口与PLC的编程接口连接起来进行通信, 在Visual C++6.0的基础上, 设计出在线监测的上位机软件, 实现对汽包水位的实时、精准监控, 确保汽包上各测量点偏差不超过±±3300mmmm。
1 系统整体框架的设计
系统是一个将测控技术、通信技术和计算机技术结合在一起的智能测控系统, 主要包括数据的采集、传输、处理和显示四部分, 如图1所示。首先, 传感器通过双室平衡容器正负压管采集压力, 并将压力参数输出为差分小信号传送至智能变送器, 变送器则对差分信号进行放大和数字处理, 转换并输出4~20m A的电流信号, 而配电隔离器则为变送器提供24V直流电源并隔离信号, 消除外界信号的干扰。信号到达PLC模块, 经过PLC模拟量输入模块的相关处理, 转换为符合RS232标准电平的数字信号, PC上位机通过完全开放的自由口通信模式完成与PLC的串口通信, 实现传感器到PC机的数据交互, 从而完成对水位的实时测量。
2 上位机软件的设计与实现
系统的上位机监测软件是基于Visual C++6.0的单文档 (SID) 的MFC应用程序开发的, 系统主要分为通信模块, 数据管理模块, 界面设计模块等三个模块。
2.1 串口通信设计与实现
实现上位机与S7 300的通信有很多方法, 常用的有Prodave通信、串口通信等。Prodave通信采用MPI的通信接口, 因为MPI口是每块CPU的编程口, 所以PLC不需要另外添加通讯模块, 但MPI的速度是有限的, 如果采用普通的PC Adapter连接PC和PLC, 最高速度也就38.4kbps。本设计采用串口通信方式, 只需另加CP340或者CP341串口通信模块, 同时在PLC和上位机中分别对接收报文和发送报文进行相应的描述, 报文格式相对自由, 串口通信使用的数据线较少, 在远距离通信中可以节约通信成本。
上位机界面采用Visual C++6.0软件工具进行编写, 利用MSComm控件实现RS232串口编程。首先, 在基于单文档应用程序中创建串口通信控件, 若Control工具栏中缺少该控件, 可通过菜单Project—>Add to Project—>Components and Control插入即可, 再将该控件从工具箱中拉到对话框中。此时, 只需要关心控件提供的对Windows通讯驱动程序的API函数的接口。换句话说, 只需要设置和监视MSComm控件的属性和事件。如果计算机未安装VC++, 用户的计算机没有注册MSCOMM32.OCX控件的情况下, 用户是不能使用该控件的。此时, 只能通过运行命令”regsvr32+控件的完整路径名”完成控件的注册, 此处输入”regsvr32 C:windowssystem32mscomm32.ocx”, 点击确定即可完成注册。
本文采用事件驱动法来处理通信, 当有新字符到达缓冲区或端口状态发生变化时, 即使有错误发生, 都会触发若串口的消息处理函数, 进而调用Get Comm Event () 函数查看是哪类事件, 再做出相应的处理。这种方法程序能够响应及时, 可靠性较高。
2.1.1 MSComm控件类参数初始化
MSComm控件类初始化时, 在视图类的初始化函数On Init Update () 中进行。其中串口号、波特率、校验方式、数据位等相关参数可以由用户按照实际情况自行设置。Set Comm Port (n) , 将串口控件与指定的串口号相关联;Set Input Mode () , 设置接收数据的类型;Set Settings (str) , 设置串口的相关参数, str字符串内包括波特率、奇偶校验、数据位、停止位等串口参数信息;Set RThreshold () , 设置是否产生串口事件;Set Input Len () , 表示是否全部读取串口。
同时通过调用Get Port Open () 方法判断串口是否已经打开, 若处于关闭状态, 则调用Set Port Open () 方法, 将串口打开。
2.1.2 发送串口数据
在发送数据时, 需要在程序中调用串口控件类的成员函数Set Output () 进行数据发送操作, 数据在通过串口进行发送时或接收时, 必须将数据类型强制统一转换为COle Safe Array类型, 否则, 数据将不能完整或安全地被发送或接收, 并为发送数据按钮增加消息处理函数并添加相关处理代码, 发送串口数据流程如图2所示。
2.1.3 接收串口数据
在单当串口缓冲区中有数据到来时, 该串口控件会产生串口事件, 调用Get Comm Event () 函数获取当前发生的串口事件。为接收数据按钮增加相应的消息响应函数并添加相关代码。
2.2 数据库设计
为方便对实时数据进行诊断和历史分析, 该文把系统所采集到的数据保存到数据库中。设计中采用MFC ODBC的方式访问数据库, Visual C++中提供的MFC ODBC数据库类封装了ODBC API, 这使得利用MFC来创建ODBC应用程序非常简便, 避免了直接使用ODBC API要编写的大量代码, 同时采用SQL Server 2000作为上位机软件的数据库管理系统。在运行系统前, 需添加数据源, 首先, 打开“开始”—“控制面板”—“管理工具”—“数据源 (ODBC) ”, 在用户数据源列表的右边选择“添加”, 出现创建新数据源对话框。双击SQL Server, 打开对话框, 输入数据源名称和选择SQL Server服务器, 完成数据源的创建与配置工作。
2.3 上位机软件界面设计
上位机软件是基于MFC的单文档应用程序, 注意将该工程视图类的基类设置为CForm View类, 可以实现可视化编程, 在对话框资源中直接拖拽控件至对话框内, 减少不必要的程序代码, 简化工作量。在Resource View的Dialog中为单文档添加相关的标签、按钮、编辑框等, 并为编辑框创建相关成员变量, 为按钮添加相应的消息响应函数, 完成相应的函数功能, 最后软件界面如图3。
3 下位机软件实现
由于使用的是自由口通信协议实现PC机与PLC的通信, 需要在下位机软件SIMATIC STEP7中利用梯形图编写相关的接收数据和发送数据的程序, 并用中断来处理发送数据和接收数据之间的状态切换。在硬件组态中, 除加入必要的导轨、电源、CPU、输入输出模块外, 还需要为PLC添加一块串行通讯模块, 在S7 300中可以加放CP340或者CP341通讯模块, 实现串口通信。在软件组态中, 采用汽包水位三冲量前馈-反馈串级控制系统, 调整电动执行机构的阀门开度, 合理调节蒸汽流量、锅炉给水量和炉内燃烧量的变化, 实现对水位的自动控制。
4 结束语
本系统中运用VC++设计并实现了PC机与西门子系列PLC的通讯, 使用MFC技术, 灵活运用Active X的MSCOMM控件, 实现了串口通信。同时, 将系统采集的数据存入数据库, 以备历史查询。系统充分利用计算机和PLC本身的资源实现了上位机对PLC的实时监控, 而PLC作为下位机实现对现场工况的实时监控和有效控制, 从而从最大限度上保证汽包中三个测量点数据相差不超过±30mm, 确保测量结果的相对稳定, 实现了对汽包水位的实时监测和有效控制。本系统而且还可以进行扩展, 与多台PLC进行通信, 简单、实用, 具有较高的可靠性和安全性, 降低了工人劳动强度, 达到了预期的目标。
摘要:智能监测系统集计算机技术、通信技术和仪表测控技术于一体, 论文介绍了采用Visual C++6.0为开发工具和以SQL sever 2000为数据库平台, 通过串行接口进行通信的测控系统实现过程。作者提出了使用自由口通信的模式将工控机与西门子S7 300系列PLC模块进行连接, 实现现场传感器、PLC模块和工控机的相互通信, 在此基础上开发了锅炉汽包水位的实时测量与在线控制软件, 对锅炉汽包水位进行实时监测, 并给出基于VC的上位机界面。
关键词:Visual C++6.0,串口通信,水位测量
参考文献
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锅炉水位实验系统 篇5
1 锅炉汽包水位串级控制系统
串级给水控制系统原理如图1所示。
图1中两个回路的任务及动态特性不同, 可以选用不同的调节器。主调节器一般采用比例积分控制规律, 保证水位无静态偏差。主调节器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副调节器, 用以消除给水压力波动等因素、一次给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量, 以保证给水流量和蒸汽流量平衡。副调节器可采用比例调节器, 以保证副回路的快速性[2]。
2 模糊神经网络
模糊神经网络系统通常由模糊控制器和一个神经网络组成, 既具有模糊控制器的善于表达人类的经验知识、推理能力强的特点, 又具有神经网络控制器的直接从控制数据中学习知识、学习能力强等特点。
模糊神经网络[3,4,5,6]的结构一般包括输入层、隶属函数层、模糊规则层和输出层。输入信号根据精确程度和控制要求各定义7个模糊集合{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}, 即{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}。由于高斯函数具有表示形式简单, 径向对称, 光滑性好等优点, 因此输入函数选用高斯函数μ (x) =exp[- (x-a) 2/b], 式中通过调整参数a和b可以改变隶属函数的形状和偏移点。高斯隶属度函数曲线如图2所示。
模糊规则层的输入连线用来和模糊逻辑规则的前提条件相匹配, 神经元的个数等于模糊规则的个数, 神经元的激活函数为线性函数。模糊神经网络具有多层感知器的结构形式, 可以用BP算法来修正其中的可调参数。本文采用了两个输入一个输出的模糊逻辑控制系统, 如图3所示。
模糊控制规则的第i条规则具有如下形式:
式中:E、EC分别为处理后的输入变量偏差及偏差变化率;U为输出控制量。
3 模糊BP网络用做锅炉汽包水位串级控制系统的主调节器
模糊BP网络作为主调节器的结构框图, 如图4所示。通过量化因子ke和kec将实际输入量偏差e和实际输入量偏差变化率ec量化为模糊BP网络控制器的精确输入E和EC。
假设e、ec的连续取值范围分别为[eL, eH]、[ecL, ecH], 则量化因子ke、kec的计算表达式为:
式中, m、n为量化等级数。
在确定了量化因子之后, 误差e和误差变化率ec可通过式 (3) 、式 (4) 转换为模糊BP网络的输入E和EC。
式中〈〉代表取整运算 (四舍五入) 。
详细分析锅炉汽包实际运行情况, 全面总结归纳专家的汽包水位控制经验和知识, 同时考虑系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面, 可以得出一套控制规则, 即:汽包水位偏差为正时, 若偏差的变化率为正 (负) , 这是汽包水位偏差有减小 (增大) 的趋势, 为尽快消除偏差又不引起水位超调, 应使给水量给定值减小 (增大) 。具体控制规则的形式表示为:
If E is PB and EC is PB, then U is PB;
If E is PM and EC is NB, then U is PS;
If E is PS and EC is ZO, then U is PS;
If E is ZO and EC is NB, then U is NS;
If E is NS and EC is NS, then U is NS;
If E is NM and EC is PB, then U is NS;
If E is NB and EC is PS, then U is NB;
…………
为了使控制规则更准确, 则需要通过大量的仿真试验来修改完善规则库。
控制系统中的副调节器—给水流量调节器以模糊BP网络调节器的输出作为给定值, 同时以主蒸汽流量作为前馈信号, 通过调节给水流量来维持汽包水位在设定的范围内。
4 仿真研究
以某电厂350 MW超临界机组的锅炉为对象, 在Matlab中使用simulink模块对系统进行仿真[7], 分别用常规PID控制器和模糊BP网络控制器作为锅炉汽包水位串级控制系统的主调节器[8], 构建控制系统框图。给水流量通道的传递函数为, 蒸汽流量通道的传递函数为对构建的汽包水位闭环控制系统分别进行汽包水位定值扰动和蒸汽流量扰动试验, 得到了常规PID控制与模糊BP网络控制的响应曲线, 如图5和图6所示。
从图5的仿真响应曲线可以看出, 在加入定值扰动的情况下, 模糊BP网络控制器比常规PID控制器作为锅炉汽包水位串级控制的主调节器具有更好的控制特性, 模糊BP网络控制系统在20 s左右时整个过渡过程趋于平稳, 且具有良好的动态性能和稳态精度。
从图6的仿真响应曲线可以看出, 在加入蒸汽流量扰动的情况下, 模糊BP网络控制器作为主调节器的控制系统能够较快地抑制干扰, 系统的动态性能较好。
5 结语
本文将模糊控制与BP神经网络二者的优点相结合, 解决了常规PID控制参数不可变的缺点, 且组成的调节系统具有结构简单、学习参数少、学习时间短的特点。将其应用于锅炉汽包水位串级控制中, 对提高控制系统的控制品质具有重要作用, 同时也为投入实际生产提供了理论依据。
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锅炉汽包水位控制浅析 篇6
1 系统设计背景
我们通常认为锅炉是一个比较复杂的控制系统。因为在对锅炉进行控制中, 待控因素较多, 同时还存在很多扰动因素。
2 系统的动态特性
2.1 给水流量扰动下的动态特性
2.2 水蒸汽流量扰动下的动态特性
3 系统控制方案设计
3.1 给水流量控制回路参数整定
3.2 水位控制回路参数整定
参考文献
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硫化床锅炉汽包水位控制 篇7
1 汽包水位测量元件及安装的重要性
硫化床锅炉运行稳定性相对沸腾炉较差, 这样对锅炉水系统控制提出了较高的要求, 而水系统中汽包水位自动调节占有重要地位, 它主要是使给水量与锅炉的蒸发量和汽包水位维持在工艺允许指标数值范围内。要达到规定指标首先我们对压力、温度、液位取源部件及测量仪表提出高标准的要求, 在设计上每台锅炉汽包应配备2套就地水位表和4套差压式远传水位测量装置。2套就地水位表中的1套可用电结点式水位测量装置或采用汽包水位电视监视装置替代。另一套可以采用双色容器水位计。锅炉汽包水位的调节信号、报警信号和保护信号应分别由4个独立的取源部件进行逻辑判断后远传到DCS, 并且该信号应进行压力、温度修正, 提高测量的精度, 减小误差。对于每个水位测量装置安装必须具有独立的取样孔。严禁在同一取样孔上并联多个水位测量装置, 以避免相互影响, 降低水位测量的可靠性。水位测量装置安装时, 均以汽包同一端的几何中心线为基准线, 采用水准仪或玻璃管水面计精确定位各水位测量装置的安装位置, 不应以锅炉平台等物作为参比标准。就地水位表安装时零水位线应比汽包内的零水位线低, 降低的值取决于汽包::仁作压力。如锅炉就地水位表的零水位线与锅炉汽包内的零水位线不一致, 应根据锅炉汽包内工作压力重新标定就地水位表的零水位线。
2 影响汽包液位扰动的因素及改进方式
循环硫化床锅炉给水一般采用母管制, 经给水门一次分成两路, 一路直接经省煤器预热后进入汽包, 另一路进减温器调节主汽温度热交换后进入汽包, 另外水冷壁加热后的水也进入汽包进行汽水分离。这部分气体我们称为饱和蒸汽从汽包山来后经高温过热器、减温器、低温过热器换热后成为成品蒸汽就是我们经常说的过热蒸汽, 把这部分汽送到汽轮机或换热汽进行做功。汽包水位控制是保证锅炉正常运行和蒸汽品质的重要措施之一。水位过低, 容易使水全部汽化而烧坏锅炉甚至爆炸, 水位过高则影响汽水分离效果使蒸汽带水降低蒸汽品质。那么是什么原因引起汽包水位变化呢?主要扰动因素是蒸汽流量和给水量。相比之下, 热负荷的扰动所引起的水位变化的时间常数较大, 其“虚假水位”的幅值相对较小。因为热负荷突然增加会使汽包水容积中汽泡容积增加, 水位上升。由于蒸汽流量不变, 汽包压力增大会使汽包水容积中汽泡容积减小, 对水位上升产生一定的抑制作用。因此给水量的扰动可看成主要有燃料燃烧加热汽包水汽化、蒸汽负荷流量影响等。特别是负荷突然增大时极易产生“虚假水位”现象, 测量出错误水位造成干锅损坏锅炉, 由于循环流化床锅炉对燃料质量要求低, 给企业带来很人的经济效益、但相对米说燃料的热值、水分含量等变化范围较大, 极易造成燃烧状况不稳定。燃料扰动较大, 锅炉燃烧控制难度大, 也增加了汽包水位调节的难度。此外, 大多供热联产电厂的设备投资相对较少, 配置的主给水电动调节阀门和旁路给水凋节阀门执行机构的凋节性能较差, 基本达不到线性调节, 在很大程度上增大了水位自动控制整定的难度。以往汽包水位一般采用传统的三冲量控制系统, 执行PID控制方式已不能达到汽包水位自动调节的要求, 给运行人员带来很大不便。经过不断摸索, 集众家控制之所长, 我们采用了以三冲量为基础运用计算机模拟补偿、水位响应特性试验, 获取相应的迟延时间和响应速度, 计算初始调节参数, 并参考人工控制大量的经验数据, 根据负荷大小、水位偏差大小及方向在CRT画面流程图上实时修改三冲量控制参数。模拟三冲量补偿控制结合PID参数自动整定的辅助控制方式, 实现PID参数的在线自动调整, 使控制回路具有自适应性能。安装后调试结果显示, 在不同锅炉负荷条件下, 采用补偿式控制方式能够缓解水位测量带来的误差较好地缓解水位调节系统本身的缺陷, 用程序实施在异常情况下, 水位偏差过大时调节给水流量随着蒸汽负荷流量控制, 水位正常后恢复正常控制, 基本达到快速和稳定性调节要求, 取得了较好的效果。
3 汽包液位在保护投入中的作用
在机组运行中, 汽包液位数据也是系统保护整定的重要依据, 也是能否保证运行的重要标准, 按锅炉操作规程及劳动部门的规范要求, 控制系统中有安全开停机程序并加入了汽泡水位低低限、蒸汽压力高高限时与送风系统、引风系统、输煤系统进行电气联锁的控制软件, 以确保没备利人身安全。锅炉给水、汽泡水位、蒸汽压力、炉膛温度、风压等重要参数, 不但在计算机CRT显示器设有报警画面, 而且在仪表盘上设有声光报警装置, 另外还有控制按钮供紧急停机用, 双重安全联锁保险措施。
摘要:汽包是锅炉的重要组成部分, 也可以说是锅炉的心脏, 对于蒸汽锅炉做功效率的好坏决定于汽包的出汽量, 而直接影响出气量的硬指标可以说是汽包水位, 如何控制汽包内汽与水的比例, 最主要的一个方法就是, 利用现代的科学技术及先进的科技产品加以人性化的管理, 实现汽包水位测量的准确性, 从而达到自动调节的目的。
关键词:自动控制,二冲量调节补偿,汽包水位
参考文献
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锅炉汽包水位保护策略浅析 篇8
关键词:FSSS,汽包水位,保护,逻辑,三取二
引言
神华国华北京热电装有两台德国ABB公司生产的DKEH-1DN31型200MW凝汽抽汽式汽轮机组、四台哈尔滨锅炉厂产HG-410/9.8-YM1型锅炉。为提高供热可靠性, 每个单元设置为两炉一机, 两台机组于1999年底投产。锅炉属于高温高压锅炉, 每台锅炉设有三种水位计:三台差压式水位变送器;一台就地云母水位计;一台电接点水位计。三台差压式水位变送器的模拟量信号进入DCS后用于汽包水位的自动控制、联锁及保护。
0FSSS系统硬件结构
PROCONTROL P系统的锅炉汽包水位保护直接通过锅炉炉膛安全监控系统 (FSSS) 实现。图1即为该系统的锅炉炉膛安全监控系统保护柜布置图。如图1所示, 锅炉的保护模件柜共由四层模件构成, 我们把它分别称为AA层、DA层、GA层和KA层。其中AA层、DA层、GA层分别布置了第一、二、三保护通道的模件, 这三层中每一层模件的个数、槽位布置顺序以及相对应槽位的模件型号都完全相同, 锅炉FSSS保护系统的保护三通道软件逻辑也分别下载到这三层模件中, 构成了图1所示的BOILER PROTECTION CHAN-NEL 1、2、3通道。此三层模件即完成了FSSS系统的信号测量输入、保护逻辑判断以及跳闸指令输出的功能。KA层布置的模件则为跳闸设备的继电器模件, 这些模件将跳闸指令输出模件的输出信号再次组态为继电器硬件回路上的三取二功能, 最后再输出给被跳闸设备的控制继电器。
其中, 模拟量信号输入模件型号为81EA04/R1210, 分别布置在AA016/020、DA016/020、GA016/020槽位上, 开关量信号输入模件型号为83SR04/R1411, 分别布置在AA044-064、DA044-064、GA044-064槽位上;保护逻辑判断模件型号为83SR04/R1411, 分别布置在AA080-088、DA080-088、GA080-088槽位上;跳闸指令输出模件型号也为83SR04/R1411, 分别布置在AA044-052、DA044-052、GA044-052槽位上;用于将跳闸指令再次进行三取二硬件组态判断的模件型号为81AR01/0100, 分别布置在KA012-076槽位上。从以上我们可以看出, 此系统的型号为83SR04/R1411的模件的功能十分广泛, 即可用作开关量信号输入模件使用, 也可用作开关量信号输出模件使用, 同时也具有逻辑运算功能。
2 汽包水位测量硬件结构
图2即为三台汽包水位变送器的其中一台LT01的模拟量测量回路的示意图。用于模拟量测量输入信号的型号为81EA04/R1210的模件分别布置在AA016、DA016、GA016槽位上。LT01变送器由AA28槽位上的89XV01/R0100模件的第一通道FU01供电, 分别串联接入位于AA016、DA016、GA016三个模件的第一个测量通道FU01上。另外两台变送器LT02、LT03的接线方式与LT01基本相同, 不同之处在于另外两台变送器分别接入到AA016、DA016、GA016三个模件的FU03、FU05通道当中, 供电模件89XV01/R0100的通道也相应的使用的是DA028槽位上的FU03、GA028槽位上的FU05通道。
3 汽包水位控制逻辑策略
3.1 逻辑分配
图3为该系统的汽包水位控制逻辑图。图中包括了锅炉汽包水位第一、第二、第三通道的保护逻辑原理图。这些逻辑被分别分配到锅炉保护的三个通道模件中, 这些模件的型号为83SR04/R1411, 分别布置在AA080-088、DA080-088、GA080-088槽位上。
如图3所示, 三台水位变送器LT01、LT02、LT03分别接入到三个保护通道的模件当中, 定义的变量依次分别是XQ50、XQ51、XQ52, 这三个变量又分别引入了相应的汽包压力信号、固定的温度补偿作为水位测量的修正。这些信号经过PROCONTROL P14专用的汽包水位压力温度补偿NIV软件包得出的变量分别为F001CXQ50、F002CXQ50、F003CXQ50, 这样就在软件逻辑中得到了九个汽包水位测量变量值, 接下来的所有的汽包水位自动调节逻辑、保护控制逻辑均直接使用这九个变量进行相关的组态。
汽包压力变送器的接线方式与水位变送器类似, 同样是一个变送器分别串联接入三个保护通道的模件, 其中间变量也分别与水位变送器的中间变量相对应, 并对水位变量进行修正。
3.2 保护逻辑的实现
由三台水位变送器的输入信号得出的中间变量LT01F001CXQ50、LT02F001CXQ50、LT03F001CXQ50分别经过GRE限值功能块后, 可以输出开关量信号。当汽包水位达到保护动作+250mm或-250mm之后, 三个GRE功能块的输出经过B23三取二逻辑判断后立即输出给锅炉主保护第一通道, 发出MFT动作指令, 即图示的"FIRST OUT/MFT (HYH10EY300) "信号。同时, 控制逻辑还向操作画面发送一"首次输出"FIRST OUT信号报警, 以供运行人员及时发现及事后分析跳闸原因。同理, 中间变量LT01F002XQ50、LT02F002XQ50、LT03F002XQ50及LT01F003XQ50、LT02F003XQ50、LT03F003XQ50也分别经过同样的逻辑判断与选择处理:当汽包水位达到保护动作+250mm或-250mm之后, GRE功能块输出限制开关量信号, 形成锅炉主保护的第二通道、第三通道保护逻辑。
由于锅炉汽包水位保护的重要性, 控制逻辑在硬件上也设计了保护模件的通道检查逻辑:如果该保护通道上的模件三个输入通道中有两个通道出现了故障, 判断逻辑则认为该模件已不可用, 同样发出该保护通道的锅炉主保护跳闸指令。即如图所示:在正常情况下, 对于同一个变送器而言, 由它产生的三个中间变量F001CXQ50、F002CXQ50、F003CXQ50在数值上应该是完全相同的。但是, 如果其进入主保护第一通道的变量F001CXQ50发生异常时, 必将与另外两个通道的变量F002CXQ50、F003CXQ50产生偏差, 此时逻辑选择功能块MVN的M1出口将会输出一个与输入信号相对应的开关量, 以此来证明主保护第一通道模件的第一个信号输入通道已发生故障。同理, 控制逻辑还将会对另外两个变送器同样进入主保护第一通道模件的变量进行判断, 如果这三个判断结果中有两个以上是故障的, 则证明主保护第一通道的模件已经不可用, 控制逻辑发出该主保护通道跳闸的指令"P FAILED/M ALARM"。同理, 主保护第二通道、第三通道也进行相同的模件可用性检查, 如有故障则发出该通道主保护跳闸指令。以上检查经过三取二选择后判断锅炉是否应跳闸。
3.3 水位调节及报警逻辑的实现
为了提高系统的可靠性, 锅炉汽包水位自动调节控制回路中的水位测量信号同样分别取自不同的水位变送器, 即中间变量LT01F001CXQ50、LT02F002CXQ50、LT03F003CXQ50经过选择判断功能块MVN、惯性环节PT1处理后送入汽包水位控制逻辑"Main FW CTL VV"/"Low LOAD CTLVV"作为汽包水位的测量值。
另外, 控制逻辑中还分别给出了三台水位变送器之间的测量偏差报警信号"L MEAS DIF", 以及每台变送器的水位报警信号"L/LL/VL/H/HH/VH报警", 以便提醒运行人员及检修人员采取相应的措施。
4 保护跳闸指令的输出
如图4所示, 该图以现场设备1208H42为例表示了PROCONTROL P系统的跳闸指令输出原理:现场设备1208H42的跳闸指令由第一、第二、第三通道跳闸指令输出模件10CHE02AA044、DA044、GA044输出, 输出后的指令进入到跳闸继电器模件KA012、KA020、KA028, 这三个继电器模件又通过内部继电器组态成硬件上的三取二判断逻辑后输出1208H42 A X/YB91指令, 该指令直接输出给1208H42的停运控制继电器励磁线圈。至此, 整个回路的保护功能全部完成。
在此需要说明的是, 在锅炉保护复位后, AA044、DA044、GA044的输出指令为"1", 即KA层的所有继电器模件的各个内部继电器处于带电状态、其常开辅助接点处于接通状态;由1208H42 A X/YB91输出的指令线路也处于带电状态;1208H42的停运控制继电器励磁线圈处于励磁状态、其常开辅助接点同样处于接通状态。这样, 当锅炉输出跳闸指令时, 跳闸继电器模件内部继电器失电、接通的常开接点断开, 则1208H42的停运继电器失电, 其接通的常开接点断开、常闭接点闭合, 保证设备安全停运。这样的设计思路充分保证了锅炉主燃料跳闸后联动跳闸设备的可靠性, 在保证安全的前提下充分避免了保护的拒动。
5 结论
锅炉汽包水位保护是热工保护系统中的一项重要内容, 熟练掌握该系统的保护逻辑、控制方式对于保证设备的安全稳定运行及维护有着重要的意义。本文是作者对于ABB公司PROCONTROL P DCS系统中关于FSSS及锅炉汽包水位控制策略的一些认识, 希望能对从事电厂热工控制尤其是锅炉汽包水位控制方面工作的人员有一定的借鉴意义。
参考文献
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